滚刀常压换刀技术研究

韩伟锋， 陈　馈， 周建军， 张　兵

(盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州　450001)



滚刀常压换刀技术研究

韩伟锋， 陈馈， 周建军， 张兵

(盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州450001)

摘要：针对大直径高水压条件下盾构施工刀具更换难度高、风险大的问题，结合大直径盾构刀盘结构，通过开发滚刀常压换刀装置，实现在刀盘保压的情况下，常压更换部分滚刀，不但降低了带压条件下滚刀更换成本，而且降低了换刀风险。

关键词：大直径盾构； 深埋隧道； 滚刀； 常压换刀； 换刀装置

0引言

随着城市化进程、交通运输、水利工程等行业的快速发展，隧道的应用也越来越广泛。盾构法作为软土隧道建设最为重要的施工方法之一，在盾构施工过程中需要经常更换刀具。由于地质的复杂性，为保证掌子面的稳定和防止涌水现象的发生，在换刀过程中须保持土舱压力，为此换刀人员必须承受土舱的高压环境。换刀人员在进舱前须先升压，达到土舱压力后方能进行工作；换刀完成后又需要降压，升压和降压过程不但耗时长，而且对工作人员的身心健康威胁很大，特别是降压过程，稍有不慎将容易引起降压病[1-3]。

随着发展的需要，各种大埋深、穿江越海隧道越来越多，埋深越大，压力越大，超过人体承受极限，不能继续带压进舱换刀[4-5]。目前，已有专家针对超高压环境条件开展更为可靠安全的刀具更换方法的研究，如饱和气体方法进舱作业，但此种方法成本较高且不方便；也有一些专家开展了常压换刀装置的研究，但是大多是针对切刀更换的研究，不适用于滚刀[6-9]。

在复杂地层条件下开展盾构施工，滚刀几乎不可缺少，只要有滚刀就必须考虑如何更换的问题。为保证超大埋深穿江越海隧道修建过程换刀的安全，需研究在盾构保压掘进状态下进行常压换刀技术。本文针对常压换刀需求，基于滚刀结构特点，设计开发常压换刀装置，并对其应用过程进行简要介绍(本文所提及换刀除了特别强调外，均指换滚刀)。

1带压换刀

盾构施工过程中由于刀具不断与岩土挤压破岩，同时刀具本身也在不断磨损，特别是在高磨蚀复杂地层中，滚刀不但磨损严重，异常损坏较多，且更换条件恶劣[10-12]。图1为正常磨损的滚刀，图2为异常损坏的滚刀。当滚刀磨损或者损坏达到一定程度时，将会影响盾构正常掘进，具体表现为盾构推力扭矩异常增大，推进速度极其缓慢，更为严重的将会导致刀盘异常磨损，此时必须在舱内带压修复刀盘。为此，无论盾构滚刀正常磨损还是异常损坏，都必须及时发现并进行更换，方能保证盾构正常掘进。

图1　正常磨损的刀圈

图2　异常损坏的滚刀

由于地下土、水压力作用，在盾构施工过程为了保持掌子面稳定及避免地表塌陷，在刀盘舱须保持与水、土压力等同的压力。目前，带压更换盾构滚刀的方法有带压进舱、减压限排、饱和气体带压等方法，作业人员不但需要承受数倍于正常空气压力进舱，而且作业风险极大。图3为带压进舱作业流程。特别在超高压力条件，作业人员须充饱和气体进舱，作业成本也将大大增高。图4为刀盘舱内检查更换滚刀。当作业人员完成刀具检查更换后，还需慢慢降压，恢复正常大气压力，稍微不慎将会出现降压病，影响工作人员身心健康。因此，综合分析，带压进舱检查更换滚刀具有作业风险大、作业成本高、耗时长等缺点。

图3　进舱作业流程

2常压换刀原理

常压换刀技术总体思路是一个独立的与外界联通的区域，与刀盘舱的高压区隔离，作业人员在常压区域更换高压区域的刀具。其换刀原理如图5所示。正常掘进过程，刀具伸出刀盘面板进行破岩，当需要换刀或者检查刀具时，工作人员通过移动刀具支架，封闭刀架口，并取出刀具进行检查处理。基于此原理，目前在更换切刀技术方面已经较为成熟，并在国内几个大直径隧道工程已有应用。但是，由于滚刀工作原理较切刀复杂，且体积较大，因此在国内常压更换滚刀尚处于研究阶段。

图4　舱内检查更换滚刀

Fig. 4Inspection and replacement of disc cutter under hyperbaric condition

图5　常压换刀原理

Fig. 5Principle of disc cutter replacement under atmospheric pressure

随着地下空间技术的开发，特别是穿江越海公路、铁路的修建，高深埋大直径盾构使用越来越广泛，如上海崇明隧道、南京纬三路等过江隧道直径都在14 m以上。此类工程属于水下隧道，且埋深较大，为保证刀具更换环境的可靠性与安全，德国海瑞克公司提出了常压换刀技术。图6为切刀常压更换装置。但是，目前在国内使用的常压换刀技术全是针对切刀，并未涉及滚刀常压更换技术。

图6　切刀常压更换装置

Fig. 6Devices used for cutting bit replacement under atmospheric pressure

根据常压换刀技术分析，总结常压换刀具有以下优点:

1)安全性高。整个换刀工作处在常压下，相比带压进舱、对开挖面前方土体进行加固后，常压进舱作业条件好，安全性高。

2)工期短。常压换刀，平均2 h更换一把刀，一次停机换刀只需要2～3 d，相比带压进舱作业每次进舱只能工作1.5 h，出舱减压需要3～4 h，每次刀具更换约需要12～15 d，常压换刀相对高压换刀效率提高了4～5倍。

3)施工成本降低。高压换刀每次高浓泥浆制备需要30万元，专业潜水人员作业费用85万元。常压换刀每次泥浆费用5 000元以下，换刀人员每次换刀作业特殊作业津贴1万元，施工成本明显减少。

3常压换刀装置结构

基于常压换刀原理，滚刀常压换刀装置与切刀更换装置类似，包括刀座、保压装置、润滑装置、拆卸装置、泄压与冲洗装置等。常压换刀装置如图7所示。

1—滚刀； 2—刀盘面板； 3—刀座； 4—保压门； 5—润滑装置； 6—保压腔； 7—拆装装置； 8—导向装置； 9—泄压装置。

图7滚刀常压换刀装置

Fig. 7Devices used for disc cutter replacement under atmospheric pressure

刀座是支撑滚刀破岩的主要构件，与切刀刀座的区别在于： 一方面刀座受力较大，需要有较大的刚度和强度，另一方面必须考虑滚刀自转。如图7所示，刀座为一个密闭的腔体，为保证刀座不被渣土塞满而影响滚刀自转，在盾构掘进过程中须不断有高压水进行冲刷。

保压装置主要由保压腔、高低压隔离门和密封元件组成。密封元件如图8(b)和8(c)所示。该装置不但有密封保压作用而且具有支撑刀座作用。盾构掘进过程，刀座与保腔接触状态如图7中的掘进状态，换刀过程需要刀座沿保压腔后移，并关闭保压门，如图7中的换刀状态。

在换刀过程中，刀座沿保压腔后移，由于刀座与保压腔之间有密封圈，为了保证移动灵活，须在刀座与保压腔之间充入润滑剂，为避免两者之间出现干摩擦，而损坏密封圈。注入润滑剂的腔体如图8(a)所示。

图8　润滑腔和密封圈结构

由于高压区与常压区压差较大，当作业人员松开刀座固定螺栓后，如果没有相关设备辅助拆卸，就会比较危险，刀座会被高压气体从保压腔冲出而伤及设备与人员。因此，当打开刀座联接螺栓后，刀座须通过拆装螺杆上的螺栓逐步向外移动，直至不影响关闭高低压隔离门为止，如图7中的换刀状态所示。

当高低压隔离门关闭后，虽然刀座的腔体较小；但是，仍然属于高压状态，如果贸然取下滚刀及刀座，腔体里面的高压气体及渣土仍然会伤及作业人员。所以，关闭保压门前，必须打开泄压阀门把刀座腔体里面的高压状态泻出，保持常压状态拆下滚刀及刀座。在盾构正常掘进过程中，为了保证滚刀自转不被进入刀座腔体的渣土影响，须不断有高压水流从泄压阀门注入刀座腔体进行冲洗。

通过刀座、保压装置、润滑装置、泄压装置和拆卸装置之间的密切配合，实现了盾构在保压条件常压环境进行滚刀的更换，降低穿江越海隧道施工过程中高压水条件下更换刀具的风险，既保护了更换刀具工人的身体健康，也保证了施工进度、缩短了施工周期、降低了施工成本。

4常压换刀装置应用

常压换刀装置所在刀盘主要分为高压环境和常压环境两个区域，要求大直径刀盘(直径不小于14 m)。如图9所示，此种状态下盾构可正常掘进。

图9　刀盘压力分区示意图(单位： mm)

需要更换滚刀时，操作步骤如下：

1)作业人员进入常压区，如图10所示，图中A-A剖面线为刀盘辐臂，属于常压区。

2)对刀座进行润滑，通过润滑装置的注油阀向注油腔内注入润滑油。

3)注油完成后关闭注油阀，将图11中固定刀座的联接螺栓拆除，将4条导向杆安装在螺栓孔处，并把拆装螺杆与保压腔固定在一起，如图7中掘进状态所示。

4)通过调整拆装螺杆上的滑动螺母，将刀座推动到如图7换刀状态，并关闭保压门。

图10　作业人员进入常压区示意图

Fig. 10Front view of device for disc cutter replacement under atmospheric pressure

图11　常压换刀装置正向图

5)由于关闭保压门后刀具所处的腔体内为高压状态，并有可能存有泥、水、砂等物质，为保证安全，刀座并不能直接和保压腔分离，先打开泄压装置上的泄压阀泄压至常压状态，方可取下刀座对刀具进行更换。

6)取下刀座后，对滚刀进行更换。

7)刀具更换完成后按照拆卸的反顺序进行安装。

5结论与讨论

通过对滚刀常压换刀装置的研究，从装备设计和换刀工法方面可实现盾构在带压情况下，常压更换部分滚刀。针对换刀装置研究，由于现场施工环境较为恶劣和研究条件的限制，常压换刀装置的密封效果和影响刀盘出渣效果须经过物理仿真试验验证后方能投入现场使用；另外，因受装置体积、结构强度、密封、刀盘直径、换刀舱空间、切削效率等限制，只能实现大型刀盘上的部分应用。

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Study on Replacement of Disc Cutter under Atmospheric Condition

HAN Weifeng, CHENG Kui, ZHOU Jianju, ZHANG Bing

(StateKeyLaboratoryofShieldandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

Abstract:There are great difficulties and high risks in the replacement of the disc cutters of large-diameter shields under high water pressure. Therefore, a device used for the replacement of the disc cutters of large-diameter shields under atmospheric condition is developed. Under the help of the device developed, the disc cutters can be replaced under atmospheric condition, which not only reduces the disc cutter replacement cost, but also minimizes the disc cutter replacement risks.

Keywords:large diameter shield; deep tunnel; disc cutter; cutter replacement under atmospheric pressure; cutter replacement device

中图分类号：U 455.3+9

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2015)12-1351-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.018

作者简介：第一 韩伟锋(1982—)，男，河南许昌人，2008年毕业于河南科技大学，机械设计制造及自动化，本科，工程师，现从事盾构及掘进技术专业研究。

基金项目：973计划(2014CB046906)； 郑州市重大科技专项(141PZDZX005)

收稿日期：2015-07-16; 修回日期: 2015-10-09